KR970002881B1 - Angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 종래의 각속도 센서의 사시 구조도.1 is a perspective structural diagram of a conventional angular velocity sensor.
제2도는 본 발명의 각속도 센서의 사시 구조도.2 is a perspective structural diagram of an angular velocity sensor of the present invention.
제 3 도는 제 2 도의 A-A선 단면 구조도.3 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.
제4도는 본 발명 센서의 신호 출력 회로도.4 is a signal output circuit diagram of the sensor of the present invention.
제5도는 (A)-(C)는 본 발명 센서의 출력 신호 전압 파형도.5 is a diagram illustrating output signal voltage waveforms of the sensor of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
10 : 발신부 11 : 발신전극10: transmitting unit 11: transmitting electrode
12 : 위상감지부 13 : 위상감지전극12: phase detection unit 13: phase detection electrode
14, 16 : 수신부 15-17 : 수신전극14, 16: receiving unit 15-17: receiving electrode
18 : 접지전극 20 : 압전체18 grounding electrode 20 piezoelectric body
21 : 발신기 22 : 궤환기21: transmitter 22: feedback
23 : 차동증폭기 24 : 동기 검파기23: differential amplifier 24: synchronous detector
25 : 직류증폭기25: DC amplifier
본 발명은 캠코더 자동화기기, 자동차 등과 같이 진동이나 회전을 수반하는 장치에서의 각속도 변위를 전압 성분으로 정밀하게 검출할 수 있는 압전체를 이용한 각속도 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity sensor using a piezoelectric element capable of accurately detecting angular velocity displacement as a voltage component in a device involving vibration or rotation, such as a camcorder automation device or an automobile.
압전체는 기계적 에너지와 전기적 에너지를 상호 변환하는 특성을 가지는 물체의 통칭으로서, 압전체의 압전상수를 d라 하고 가해진 힘을 F라 하고 그의 정전용량을 C라고 했을때, 압전체에 가해지는 힘 F에 의한 전하 발생양 Q(t)=F(t)×d가 되고, Q=VC에 의해 이때의 전압A piezoelectric body is a general term for an object having a characteristic of converting mechanical energy and electrical energy. When the piezoelectric constant of the piezoelectric body is d and the force applied is F and its capacitance is C, the piezoelectric force is applied to the piezoelectric body. The charge generation amount Q (t) = F (t) x d, and Q = VC at this time
가된다.Become
여기에서 힘 F는 코리올리 힘(Fc)을 말하는데 이는 원점을 축으로 회전하는 질량 m을 접선의 방향에 수직한 방향으로 속도 ν로 이동시켰을때 질량 m에 작용하는 힘으로써, Fc=2mνω가 된다.Here, the force F refers to the Coriolis force Fc, which is a force acting on the mass m when the mass m that rotates about the origin is moved at a speed ν in a direction perpendicular to the tangential direction, where Fc = 2mνω.
또한 압전체는 압전체의 분극방향과 동일한 방향으로 전계를 가하면 압전체는 분극방향과 수직한 방향으로 공진하게 되는데 이를 횡진동 모드라고 한다.In addition, when the piezoelectric body applies an electric field in the same direction as the polarization direction of the piezoelectric body, the piezoelectric body resonates in a direction perpendicular to the polarization direction, which is called a lateral vibration mode.
이러한 압전체의 기계적-전기적 특성 및 그의 횡진동 모드를 이용하면 회전체 또는 진동체의 회전각속도를 검출해 낼 수 있게 된다.By using the mechanical-electrical characteristics of the piezoelectric body and its lateral vibration mode, it is possible to detect the rotational angular velocity of the rotating body or the vibrating body.
제1도는 종래의 회전 각속도 센서의 구조도로서, 정삼각 봉 형태의 압전체(6)의 길이방향면을 따라 각각 전극(7-9)을 형성하고 있다. 상기 3개의 전극중 하나에는 발신 신호가 인가되게 하고 다른 2개의 전극에서 회전각속도 변위에 따른 전기적 신호가 인출되게 한다.FIG. 1 is a structural diagram of a conventional rotational angular velocity sensor, and the electrodes 7-9 are formed along the longitudinal surface of the piezoelectric body 6 in the form of an equilateral triangle rod. The originating signal is applied to one of the three electrodes and the electrical signal according to the rotational angular velocity displacement is extracted from the other two electrodes.
가령 제1도에서 전극(9)을 발신전극이라고 하고 전극(7,8)을 각각 제1,2수신전극이라 할때, 정삼각봉 형태의 압전체(6)의 축방향을 중심으로 회전력이 가해지게 되면, 그의 회전방향에 대해 직교하는 방향으로 작용하는 속도 u의 힘에 의해 제1,2수신전극(7,8)에 전기적 신호가 나타나게 된다.For example, in FIG. 1, when the electrode 9 is referred to as the outgoing electrode and the electrodes 7 and 8 are referred to as the first and second receiving electrodes, respectively, rotational force is applied about the axial direction of the piezoelectric element 6 in the form of an equilateral triangle rod. In this case, electrical signals appear on the first and second receiving electrodes 7 and 8 by the force of the speed u acting in a direction perpendicular to the rotational direction thereof.
이러한 제1,2수신전극(7,8)의 신호를 차동증폭하게 되면 회전각속도에 대한 전기적 신호를 전압 성분으로 발생시킬 수 있게 된다.When the signals of the first and second receiving electrodes 7 and 8 are differentially amplified, an electrical signal with respect to the rotational angular velocity can be generated as a voltage component.
그러나 상기한 바와 같은 기존의 각속도 센서는 압전체를 정확한 정삼각봉 형태로 가공해야 한다는 기술적 어려움이 따르게 되고 또한 검출위장오차를 가지게 되므로 센서의 출력특성 불안정을 가져오게 된다.However, the conventional angular velocity sensor as described above has a technical difficulty of processing the piezoelectric body in the form of an exact equilateral triangle, and also has a detection impairment error, thereby bringing instability of the output characteristic of the sensor.
본 발명의 목적은 설계된 축방향이 u의 다른 방향에 대한 회전각속도 감지를 최소화 하게 되며 발신부의 진동자를 자려 발진시켜 주기 위한 위장검출 및 그의 궤환 루프를 형성시켜 줌으로써, 정밀한 각속도 측정을 가능하게 하는 회전각속도 센서를 제공하는데 있다.An object of the present invention is designed to minimize rotational angular velocity detection in the other direction of u and to form a camouflage detection and its feedback loop for self oscillating the oscillator of the transmitter, thereby enabling precise angular velocity measurement An angular velocity sensor is provided.
이하 첨부한 도면을 토대로 하여 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
제2도 및 제3도에서 참고되는 바와 같이 원통 실린더 형상의 압전체(20)의 표면에는 그의 길이방향을 따라 서로 분리되어 있는 4개의 금속전극(11,13,15,17)을 각각 형성하고, 상기 원통 실린더 형상의 압전체(20)의 내면에는 전부 금속전극을 형성한다.As shown in FIGS. 2 and 3, four metal electrodes 11, 13, 15, and 17 are formed on the surface of the cylindrical cylindrical piezoelectric body 20, which are separated from each other along the longitudinal direction thereof. Metal electrodes are entirely formed on the inner surface of the piezoelectric body 20 having a cylindrical shape.
상기 압전체(20) 표면금속전극들중 하나는 발신전극(11)이 되고, 상기 발신전극(11)이 형성된 면에 대칭하는 면의 전극은 위상감지전극(l3)이 되고, 나머지 면에 형성된 전극은 수신전극(15,17)이 된다.One of the surface metal electrodes of the piezoelectric body 20 becomes the outgoing electrode 11, and an electrode having a surface symmetrical to the surface on which the outgoing electrode 11 is formed becomes a phase sensing electrode l3, and an electrode formed on the other surface. Becomes the receiving electrodes 15 and 17.
또한 압전체(20) 내면전극은 접지전극(18)이 된다.In addition, the internal electrode of the piezoelectric body 20 becomes the ground electrode 18.
상기 압전체(20)의 분극방향은 그의 두께방향을 기준으로 할때 각 표면전극(11,13, 15,17)에서 내면전극(접지전극)(18)쪽으로 향하도록 형성한다.The polarization direction of the piezoelectric body 20 is formed to face from the surface electrodes 11, 13, 15, and 17 toward the inner surface electrode (ground electrode) 18 based on the thickness direction thereof.
이에 따라 원통 실린더 형상의 압전체에서는 각각 발신전극(11)과 접지전극(18)에 의해서는 발신부(10)가 형성되고, 위상감지전극(13)과 접지전극(18)에 의해서는 위상감지부(12)가 형성되고, 제1수신전극(15)과 접지전극(18)에 의해서는 제1수신부(14)가 형성되고, 제 2 수신전극(17)과 접지전극(18)에 의해서는 제2수신부(16)가 형성되게 된다.Accordingly, in the cylindrical cylindrical piezoelectric body, the transmitting unit 10 is formed by the transmitting electrode 11 and the ground electrode 18, respectively, and the phase detecting unit is formed by the phase sensing electrode 13 and the ground electrode 18. 12 is formed, the first receiving unit 14 is formed by the first receiving electrode 15 and the ground electrode 18, and the second receiving electrode 17 and the ground electrode 18 are formed of the first receiving unit 14. The two receiving portions 16 are formed.
제4도는 본 발명 각속도 센서의 구동 및 출력회로로서, 상기 발신부(10)에서 발신기(21)이 발진신호가 제공되게 연결하고, 상기 위상감지부(12)에서 얻어지는 위상 검출 전압(Vp)은 궤환기(22)를 거쳐 상기 발신기(21)로 궤환되게 연결하고, 상기 제1,2수신부(14,16)에서 얻어지는 좌,우회전방향에 대한 압전 변환전압(V2,VR)은 차동증폭기(23)에서 차동증폭되게 연결하고, 상기 차동증폭기(23)의 차동 출력전압(Vt)은 동기4 is a driving and output circuit of the angular velocity sensor of the present invention, wherein the transmitter 21 is connected to the oscillator 21 so that an oscillation signal is provided, and the phase detection voltage Vp obtained from the phase detector 12 is The feedback is connected to the transmitter 21 via the feedback unit 22, and the piezoelectric conversion voltages V 2 and V R for the left and right rotation directions obtained from the first and second receivers 14 and 16 are differential amplifiers. A differential amplification is performed at 23 and the differential output voltage V t of the differential amplifier 23 is synchronized.
검파기(24)와 직류증폭기(25)를 거쳐 최종 각속도 아나로그 출력 전압(Vo)으로 나타나게 연결하여 구성한다.The detector 24 and the DC amplifier 25 are connected to each other so as to show the final angular velocity analog output voltage Vo.
이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation and effects of the present invention configured as described above are as follows.
먼저, 발신기(21)의 발진신호 출력이 발신부(10)의 발신전극(11)에 인가되면 발신부에서는 발신전극(11)이 폭(1)방향에 비례하는 공진 주파수를 가지고 진동하게 된다.First, when the oscillation signal output of the transmitter 21 is applied to the transmitting electrode 11 of the transmitting unit 10, the transmitting electrode 11 vibrates with a resonant frequency proportional to the width (1) direction in the transmitting unit.
이러한 진동은 제1,2수신부(14,16)를 압전체 회전방향의 접선방향에 대하여 수직으로 운동시키게 된다.This vibration causes the first and second receivers 14 and 16 to move vertically with respect to the tangential direction of the piezoelectric rotation direction.
여기에서 압전체(2O)의 횡진동 압전 정수를 d31이라 하면 진동속도Here, when the lateral oscillation piezoelectric constant of the piezoelectric body 20 is d 31 , the vibration velocity
ν=k·d31·sin(2πf31t) ν = k · d 31 · sin (2πf 31 t)
이다.(k는 상수, f31은 횡진동 공진 주파수)Where k is a constant and f 31 is the lateral vibration resonant frequency.
이때 압전체(20)가 그 축을 중심으로 회전한다면, 그 회전방향에 대해 수직으로 진동이 발생하므로 코리올리 힘이 발생하게 된다.At this time, if the piezoelectric body 20 rotates about its axis, since the vibration is generated perpendicularly to the rotation direction, the Coriolis force is generated.
한편 수신부(14,16)의 코지올리 힘(Fc)를 보면 각 수신부의 질량을 m이라고 할때,On the other hand, if you look at the Coggio force Fc of the receivers 14 and 16, the mass of each receiver is m,
Fc=2mνωFc = 2mνω
=2mω×k·d31×sin(2πf31·t) = 2mω × k · d 31 × sin (2πf 31 · t)
=k'×sin(2πf31·t) ×ω = k '× sin (2πf 31 · t) × ω
여기에서 K' 는 상수이다.Where K 'is a constant.
따라서, 각 수신부에서 발생되는 전압(V)은Therefore, the voltage V generated at each receiver is
=K"×sin(2πf31·t) ×W = K "× sin (2πf 31 · t) × W
여기에서 K"는 상수이다.Where K "is a constant.
이로부터 할 수 있는 바와 같이, 압전체(20)의 축을 중심으로 회전하는 회전력에 대해 제1,2수신부(14,16)에서 얻어지는 출력전압(VL,VR)은 각속도 ω에 비례하는 f31의 정현파 형태로 나타나게 된다.As it will be from which an output voltage (V L, V R) obtained from the first and second receiving section (14, 16) for the rotating force to rotate about the axis of the piezoelectric body 20 is proportional to the angular speed ω f 31 to It appears as a sinusoidal form of.
그러나, 압전체(20)의 축을 중심으로 회전하는 것이 아닌 회진력 성분에 대해서는 상기 수신전극(15,17)에 영향을 주는 코리올리 힘이 발생하지 않게 되어 설계된 축방향 이외의 회전에 대해서는 영향을 받지 않게 된다.However, the Coriolis force affecting the receiving electrodes 15 and 17 is not generated for the rotational force component that does not rotate about the axis of the piezoelectric body 20, so that it is not affected by rotations other than the designed axial direction. do.
제5도(A)는 각속도 센서의 정지시의 신호출력 파형도로서, 무회전시에는 코리올리 힘과 각속도 ω가 0이므로 제1,2수신부(14,16)에 발진부(10)의 진동력에 대한 수신파만이 압전체(20)의 분극방향에 수직한 방향으로 전달되므로, 제1,2수신부(14,16)에서는 제5도(A)와 같이 동일 위상의 정현파 성분인 제2수신전압(VL,VR)이 나타나게 되고, 이러한 각속도 센싱 전압(VL,VR)파형은 차동증폭기(23)에서 상쇄되므로 차동증폭기(23)의 차동출력 전압 Vt는 제5도(A)와 같이 0으로 나타나게 된다.FIG. 5A is a waveform diagram of the signal output when the angular velocity sensor is stopped. Since the Coriolis force and the angular velocity? Since only the received wave is transmitted in a direction perpendicular to the polarization direction of the piezoelectric body 20, in the first and second receivers 14 and 16, the second received voltage V, which is a sine wave component of the same phase as shown in FIG. L , V R ) appear, and the angular velocity sensing voltage (V L , V R ) waveform is canceled in the differential amplifier 23, so that the differential output voltage Vt of the differential amplifier 23 is zero as shown in FIG. 5 (A). Will appear.
한편 회전시에는 각속도 ω≠0, Fc≠0이므로, 코리올리 힘(Fc)이 작용하는 방향과 같은 방향으로 분극된 해당 수신부에서는 기준 전압 파형보다 큰 전압 파형이, 그리고 반대의 수신부에서는 기준전압 파형보다 작은 전압 파형이 발생되게 된다.At the time of rotation, the angular velocity ω ≠ 0 and Fc ≠ 0, so that the corresponding waveform polarized in the same direction as the Coriolis force Fc acts, the voltage waveform larger than the reference voltage waveform, and the opposite receiver than the reference voltage waveform. A small voltage waveform will be generated.
가령 원통 실린더 형상의 각속도 센서가 그의 길이방향 중심측을 중심으로 좌회전하게 되면 제1수신부(14)에서 출력되는 VL전압 파형은 그 크기가 증가하고 제2수신부(16)에서 출력되는 VR전압 파형은 그 크기가 감소하게 된다.For example, when the angular velocity sensor having a cylindrical shape rotates about its longitudinal center side, the V L voltage waveform output from the first receiver 14 increases in magnitude and the V R voltage output from the second receiver 16. The waveform is reduced in magnitude.
따라서 이들을 차동(VL, VR) 증폭하는 차동증폭기(23)의 Vt출력전압 파형은 제5도(B)와 같이 +,- 파형으로 나타나게 된다.Accordingly, the V t output voltage waveforms of the differential amplifier 23 that amplify them differentially (V L , V R ) are represented by + and − waveforms as shown in FIG. 5 (B).
반대로 각속도 센서가 우회전하게 되면 제1수신부(14)에서 출력되는 VL, 전압 파형은 그 크기가 감소하게 되고, 제2수신부(16)에서 출력되는 VR전압 파형은 그 크기가 증가하게 된다.On the contrary, when the angular velocity sensor is turned to the right, the magnitude of V L and the voltage waveform output from the first receiver 14 decreases, and the magnitude of the V R voltage waveform output from the second receiver 16 increases.
따라서, 이들 전압 파형 성분을 차동증폭하는 차동증폭기(23)의 Vt출력전압 파형은 제5도(C)와 같이 -,+ 파형으로 나타나게 된다.Therefore, the V t output voltage waveform of the differential amplifier 23 differentially amplifying these voltage waveform components is represented by-, + waveforms as shown in FIG.
이들 과정을 수식으로 정리하면 아래와 같다.These processes can be summarized as follows.
이러한 차동증폭기(23)의 Vt출력전압 파형은 동기 검파기(24)에서 f31의 정현대 신호가 동기 제거되므로, 직류증폭기(25)에서 증폭되어 출력되는 출력전압 Vo=K"×W로 나타나게 된다.Since the V t output voltage waveform of the differential amplifier 23 is synchronously canceled by the sinusoidal signal of f 31 in the synchronous detector 24, the output voltage Vo amplified by the DC amplifier 25 and outputted is expressed as Vo = K "× W. do.
따라서 상기 직류증폭기(25)의 출력단에서 회전 또는 진동체의 회전방향 및 그 회전각속도에 비례하는 아날로그 출력전압(Vo)을 얻을 수 있게 된다.Therefore, at the output terminal of the DC amplifier 25, an analog output voltage Vo which is proportional to the rotational direction of the rotating or vibrating body and its rotational angular velocity can be obtained.
한편, 발신부(10)에 신호가 가해져 진동이 발생하면 발신부(10)의 발신전극(11)의 폭과 위상감지부(12)의 위상감지전극(13)의 폭은 동일하기 때문에, 발신전극(11)의 폭에 공진하는 파동만이 위상감지부(12)의 위상감지전극(13)에서 공진되게 된다.On the other hand, when a signal is applied to the transmitting unit 10 and vibration occurs, the width of the transmitting electrode 11 of the transmitting unit 10 and the width of the phase detecting electrode 13 of the phase detecting unit 12 are the same. Only waves that resonate with the width of the electrode 11 are resonated by the phase sensing electrode 13 of the phase sensing unit 12.
이 공진되는 진동에 의해 위상감지부(12)에서 발신부(10)에 인가된 신호와 동일한 주파수의 신호가 검출되고, 이 검출된 신호는 궤환기(22)를 통하여 발신부(10)에 궤환됨으로써, 발신부(10)는 자려발진을 하게 된다.The resonant vibration detects a signal having the same frequency as that applied to the transmitter 10 by the phase detector 12, and the detected signal is fed back to the transmitter 10 through the feedback unit 22. As a result, the transmitting unit 10 is self-oscillating.
또한, 압전체(20)의 진동속도In addition, the vibration speed of the piezoelectric body 20
v=k·d31·Sin(2πf31t)π v = k · d 31 · Sin (2πf 31 t) π
(단, k는 상수, f31은 횡진동 공진 주파수)이므로, 수신부(14,16)의 코리올리 힘(Fc)는 수신부의 질량을 m이라고 할때,(Where k is a constant and f 31 is a lateral oscillation resonant frequency), the Coriolis force Fc of the receivers 14 and 16 is assumed to be m,
Fc=2mvωFc = 2mvω
=2mωk·d31·Sin(2πf31t) = 2mωk · d 31 · Sin ( 2πf 31 t)
=K'·Sin(2πf31t) ω= K'Sin (2πf 31 t) ω
(단, k'는 상수)이다. 따라서, 횡진동 공진 주파수 f31에 비례하여 코리올리 힘도 발생한다는 것을 알 수 있다. 그런데, 발신부(10)에서 발생한 진동은 발신전극(11)의 폭방향에 비례하는 공진 주파수를 가지므로, 발신전극(1l)과 수신전극(15,17)은 그 폭이 동일하기 때문에, 그 공진 주파수만이 수신전극(15,17)에 공진되어 검출된다.Where k 'is a constant. Therefore, it can be seen that the Coriolis force also occurs in proportion to the lateral vibration resonance frequency f 31 . However, since the vibration generated in the transmitting unit 10 has a resonant frequency proportional to the width direction of the transmitting electrode 11, since the transmitting electrode 11 and the receiving electrodes 15 and 17 have the same width, Only the resonant frequency is detected by resonating with the receiving electrodes 15 and 17.
그러므로, 발신전극(11)과 수신전극(15,17)에 공진되지 않는 다른 주파수의 신호 즉, 노이즈 신호들은 검출되지 않아 검출되는 신호의 정밀도를 높게 한다.Therefore, signals of other frequencies that are not resonant with the outgoing electrode 11 and the receiving electrodes 15, 17, that is, noise signals, are not detected, thereby increasing the precision of the detected signal.
이상에서 설명한 바와같은 본 발명의 각속도 센서는 그 구조의 단순화에 따라 저렴한 가격으로 제작 가능하게 되며 양산성이 우수한 특징을 가진다.As described above, the angular velocity sensor of the present invention can be manufactured at low cost according to the simplification of the structure, and has excellent mass productivity.
이러한 원통 실린더형 각속도 센서는 캠코더의 손떨림 보상이나 자동차의 진동 보상 장치에 효과적으로 적용될 수 있다.The cylindrical cylindrical angular velocity sensor can be effectively applied to the camera shake compensation or the vehicle vibration compensation device.
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1994
- 1994-09-14 KR KR1019940023177A patent/KR970002881B1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR960011428A (en) | 1996-04-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| G160 | Decision to publish patent application | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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